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                    《科學畫報》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    由中國科學社于1933年8月創刊,距今已有80年的歷史?!犊茖W畫報》在80年的辦刊歷程中,形成了通俗生動、圖文并茂地介紹最新科技知識,形式多樣地普及科學技術的特點,對提高廣大群眾的科學水平,啟發青年愛好科學、投身科學事業起了很大的作用,當今的不少著名學者、教授、科學家,青少年時代都曾受到它的熏陶和啟發。

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                    重力消失了,大腦變“笨”了

                    2012-10-29 11:09:38

                    /周靜嫣

                     19153

                     

                    19976月,位于地球上空約350千米處,俄羅斯“進步”號太空補給船正在靠攏“和平”號空間站。由于空間站的測距雷達發生了故障,空間站上的宇航員只能依靠機載攝像頭、手持式測距儀和肉眼來努力看清正在逐漸靠近的補給船。為了獲得更佳的視野,宇航員穿梭于各個空間艙觀察。然而,他們感到難以判斷方位。等到最終鎖定“進步”號的位置時,這艘飛船已經離得太近,速度也太快?!斑M步”號撞向“和平”號,撞擊撕裂了一塊太陽能電池板,并在一個空間艙上撞出一個洞,導致了氧氣泄漏。

                     

                    怎么會這樣?這可能是太空飛行引起大腦失靈的典型案例,其主要癥狀包括頭腦遲鈍、奇怪的幻視及喪失空間感,甚至會出現身體實際狀況和大腦感知狀況截然不同的情形。謝天謝地,沒有人在此次事件中喪生,但是當我們準備進行更長的太空飛行時,這些問題就變得非常危險。

                     

                    改變對縱向尺度的認知

                     

                    這種在太空中出現的大腦失靈現象被稱為“太空愚鈍”或“太空迷霧”,至少在20年前就有相關的文字記錄。當然,有些頭腦不清楚的現象單純是由太空旅行帶來的生理和心理上的壓力引起的,然而在背后是不是缺乏重力也在作祟?

                     

                    我們能在地球上保持身體平衡要歸功于內耳中的前庭,它是位置感受器的所在,對于地心引力的作用極為敏感。前庭內的神經將信號傳向眼睛和肌肉,同時前庭與大腦中很多區域發生聯系,其中包括頂葉皮質等關系到人類認知能力的部分。

                     

                    前庭如果出了問題,必定會影響到在地球表面生活的人類的判斷。例如,研究發現,當身體傾斜135°之后,人們辨識面孔的能力會降低。其他實驗發現,如果刺激內耳神經以損壞一個人的平衡感,會對其記憶力和場景想象力產生不同程度的嚴重破壞。

                     

                    平衡感減弱在地球上就會帶來如此影響,那么在太空又將如何?20年前,法國國家科學院的研究者曾要求宇航員在微重力的情況下,閉上雙眼書寫名字,包括橫向書寫和縱向書寫。研究者發現,宇航員所書寫的名字在尺寸上縮小了,尤其是縱向的。20世紀90年代末,研究者讓“發現”號航天飛機上的兩位宇航員閉眼畫出立方體。結果,他們所畫的橫線要比豎線長。研究者得出結論,微重力影響了大腦對縱向尺度的認知。

                     

                    影響大腦旋轉圖像的能力

                     

                    低重力甚至會改變宇航員構建頭腦中圖像的能力。為了不通過太空旅行就能制造出低重力的效果,研究者運用了拋物線飛行的方法。飛機先向上加速飛行,乘客處于超重狀態;隨后飛機自由降落約20秒,在下降的過程中乘客會體驗到接近于失重的感覺。研究者在拋物線飛行中向實驗對象展示了各種繪圖:一些伸展的手臂,或者是張開手指的手掌。實驗要求實驗對象判斷手臂或者手掌究竟是從左邊還是右邊伸出來,其中涉及了大腦旋轉圖像的能力。在地球上完成這個任務很容易,但是在重力極其微弱的情況下則需要相當長的時間。

                     

                    重要的是,當被展示的繪圖是抽象物體而不是身體部位時,參加實驗的志愿者的大腦在旋轉圖像時并未出錯。這表明,失重只對某些認知功能有影響,而對另一些沒有。

                     

                    為飛船領航或者駕駛月球車都對宇航員的視覺和空間感有很高的要求,不難想象上述影響會讓宇航員在執行太空任務時受挫。例如,“阿波羅”登月行動的成員都曾報告當駕駛月球車漫步時,他們經常會對傾斜的地形判斷錯誤,在低洼處行駛時總會感到要翻車,以至于要減速前進。

                     

                    產生種種錯覺

                     

                    更糟的是,微重力會讓宇航員辨不清方向并產生錯覺。一位航天飛機的飛行員報告說,當他一覺醒來拉開艙內的窗簾時,發現地球的位置跟他睡覺前不同了。這被稱為“視性再定向錯覺”——宇航員感覺周圍的環境全顛倒了,地板變成了天花板,左面變成了右面。他覺得非常不舒服,并嘔吐起來。除了生理上的不適,這種感覺會導致嚴重的錯誤,如把開關撥錯方向。

                     

                    是什么導致了這些奇怪現象?因為缺乏從前庭輸入的信號,大腦依賴視覺系統來判斷什么向上什么向下。當視覺提示不明確或者突然生變時,大腦將依據周圍環境來重新定位,這便使得宇航員產生了視性再定向錯覺。

                     

                    還有宇航員報告了被稱為“倒置錯覺”的相關現象——感到自己頭朝下腳朝上,即使閉著眼睛也無法消除這種感覺。這或許是人進入微重力的狀態后,生理上的變化所引起的副作用。因為沒有向下拉扯的重力作用于血管,血液便從手足末端流向軀干和頭部,宇航員的臉腫了,眼鼓了,腿細了,這些變化可能讓大腦產生了人是倒立著的錯覺。

                     

                    有研究者認為,倒置錯覺與靈魂出竅以及房屋傾斜錯覺類似。房屋傾斜錯覺是指在地球上的人們突然感到自己的視域旋轉了90°或者徹底上下顛倒了。大腦的顳頂聯合區是將前庭輸入信號、視覺信號和從關節、肌腱以及肌肉傳來的信號整合在一起的地方,如果在整合處理的過程中發生錯誤就會導致上述現象。研究者懷疑微重力可能會對顳頂聯合區的整合處理過程起到類似的破壞作用。研究者正在進行相關實驗測試這一假設。

                     

                    尋找解決方案

                     

                    探索太空飛行中認知能力的變化可以滿足科學家的好奇心,對宇航員而言,重要的是這些研究能夠減少由此引發事故的危險性。目前為止已經有了一些可行的解決方案。例如,一件配置了空氣包的救生夾克能幫助宇航員獲得方向感。充氣膨脹時,空氣包對胸腔產生機械壓力,使得參與模擬飛行的志愿者更有效地判斷自己的方位。

                     

                    美國賓夕法尼亞大學的研究者研發出一套預警系統,通過監控宇航員的反應時間來判斷其認知能力是否出現問題。這一系統已安裝在國際空間站所有的支持電腦上,研究者可以隨時收集空間站上宇航員的數據。

                     

                    數據分析結果也許能反映當宇航員身處太空時,他們的認知能力是隨著滯留時間變長而下降,還是最終適應了微重力的環境重新恢復了能力。如果是后者,可能看上去是好消息,但是對探測火星的任務來說并不見得。要是宇航員在太空飛行中適應了微重力,當他們抵達火星時就會立即面臨挑戰,因為那里的重力是地球上的3/8。無人知曉如此劇烈的轉變會對宇航員的能力產生何種影響,他們還能否駕駛飛船順利登陸火星?

                     

                    對于火星探測可能遇到的問題,一個可行的方法就是在太空旅行途中讓宇航員們待在離心分離機內旋轉,利用人工制造出的重力幫助宇航員適應火星上的條件。甚至可以讓飛船整體旋轉,如同電影《2001太空漫游》中表現的那樣。

                     

                    這些辦法聽起來有些奇怪,但是當我們發現越來越多微重力對大腦的影響時,它們就成為最有效的辦法。正如“和平”號空間站的宇航員們知道的,“太空迷霧”在關鍵時刻可能帶來打擊。在那起事故中,幸運化解了災難,但是指望下次也能同樣幸運就很愚蠢了。

                     

                     


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